La rangée supérieure de cette mosaïque présente des images de Hubble de trois galaxies spirales, dont chacun pèse plusieurs fois plus que la Voie lactée. La rangée du bas montre trois galaxies spirales encore plus massives qui sont qualifiées de "super spirales, » qui ont été observés par le Sloan Digital Sky Survey au sol. Les super spirales ont généralement 10 à 20 fois la masse de la Voie lactée. La galaxie en bas à droite, 2MFGC 08638, est la super spirale la plus massive connue à ce jour, avec un halo de matière noire pesant au moins 40 000 milliards de soleils. Les astronomes ont mesuré les taux de rotation dans les limites extérieures de ces spirales pour déterminer la quantité de matière noire qu'elles contiennent. Ils ont découvert que les super spirales ont tendance à tourner beaucoup plus vite que prévu pour leurs masses stellaires, ce qui en fait des valeurs aberrantes. Leur vitesse peut être due à l'influence d'un halo de matière noire environnant, dont le plus grand contient la masse d'au moins 40 000 milliards de soleils. Crédit :Rangée du haut :NASA, ESA, P. Ogle et J. DePasquale (STScI). Rangée du bas :SDSS, P. Ogle et J. DePasquale (STScI)
En ce qui concerne les galaxies, à quelle vitesse est rapide? La voie Lactée, une galaxie spirale moyenne, tourne à une vitesse de 130 miles par seconde (210 km/sec) dans le voisinage de notre Soleil. De nouvelles recherches ont montré que les galaxies spirales les plus massives tournent plus vite que prévu. Ces "super spirales, " dont les plus gros pèsent environ 20 fois plus que notre Voie Lactée, tourner à une vitesse allant jusqu'à 350 miles par seconde (570 km/sec).
Les super spirales sont exceptionnelles à presque tous les égards. En plus d'être beaucoup plus massive que la Voie Lactée, ils sont également plus brillants et plus grands en taille physique. La plus grande travée 450, 000 années-lumière par rapport aux 100 de la Voie Lactée, Diamètre de 000 années-lumière. Seulement une centaine de super spirales sont connues à ce jour. Les super spirales ont été découvertes en tant que nouvelle classe importante de galaxies lors de l'étude des données du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ainsi que de la base de données extragalactic de la NASA/IPAC (NED).
"Les super spirales sont extrêmes à bien des égards, " dit Patrick Ogle du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland. "Ils battent les records de vitesse de rotation."
Ogle est le premier auteur d'un article publié le 10 octobre 2019, dans le Lettres de revues astrophysiques . L'article présente de nouvelles données sur les taux de rotation des super spirales collectées avec le Southern African Large Telescope (SALT), le plus grand télescope optique de l'hémisphère sud. Des données supplémentaires ont été obtenues à l'aide du télescope Hale de 5 mètres de l'observatoire Palomar, géré par le California Institute of Technology. Les données de la mission WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) de la NASA étaient cruciales pour mesurer les masses des galaxies dans les étoiles et les taux de formation d'étoiles.
Se référant à la nouvelle étude, Tom Jarrett de l'Université du Cap, L'Afrique du Sud dit, "Ce travail illustre magnifiquement la puissante synergie entre les observations optiques et infrarouges des galaxies, révélant les mouvements stellaires avec la spectroscopie SDSS et SALT, et d'autres propriétés stellaires, notamment la masse stellaire ou la "colonne vertébrale" des galaxies hôtes, grâce à l'imagerie infrarouge moyen WISE."
La théorie suggère que les super spirales tournent rapidement parce qu'elles sont situées dans des nuages incroyablement gros, ou halos, de matière noire. La matière noire est liée à la rotation des galaxies depuis des décennies. L'astronome Vera Rubin a été la pionnière des travaux sur les taux de rotation des galaxies, montrant que les galaxies spirales tournent plus vite que si leur gravité était uniquement due aux étoiles et au gaz constitutifs. Un montant supplémentaire de, substance invisible connue sous le nom de matière noire doit influencer la rotation de la galaxie. On s'attend à ce qu'une galaxie spirale d'une masse donnée d'étoiles tourne à une certaine vitesse. L'équipe d'Ogle constate que les super spirales dépassent de manière significative le taux de rotation attendu.
Les super spirales résident également dans des halos de matière noire plus grands que la moyenne. Le halo le plus massif mesuré par Ogle contient suffisamment de matière noire pour peser au moins 40 000 milliards de fois plus que notre Soleil. Cette quantité de matière noire contiendrait normalement un groupe de galaxies plutôt qu'une seule galaxie.
"Il semble que la rotation d'une galaxie soit déterminée par la masse de son halo de matière noire, " explique Ogle.
Le fait que les super spirales rompent la relation habituelle entre la masse des galaxies des étoiles et le taux de rotation est une nouvelle preuve contre une théorie alternative de la gravité connue sous le nom de dynamique newtonienne modifiée, ou MOND. MOND propose qu'aux plus grandes échelles comme les galaxies et les amas de galaxies, la gravité est légèrement plus forte que ce qui serait prédit par Newton ou Einstein. Cela provoquerait les régions externes d'une galaxie spirale, par exemple, à tourner plus vite que prévu sur la base de sa masse en étoiles. MOND est conçu pour reproduire la relation standard des taux de rotation en spirale, par conséquent, il ne peut pas expliquer les valeurs aberrantes comme les super spirales. Les observations en super spirale suggèrent qu'aucune dynamique non newtonienne n'est requise.
Bien qu'elles soient les galaxies spirales les plus massives de l'univers, les super spirales sont en fait sous-pondérées dans les étoiles par rapport à ce à quoi on pourrait s'attendre pour la quantité de matière noire qu'elles contiennent. Cela suggère que la simple quantité de matière noire inhibe la formation d'étoiles. Il y a deux causes possibles :1) Tout gaz supplémentaire aspiré dans la galaxie s'écrase et se réchauffe, l'empêchant de se refroidir et de former des étoiles, ou 2) La rotation rapide de la galaxie rend plus difficile l'effondrement des nuages de gaz sous l'influence de la force centrifuge.
"C'est la première fois que nous trouvons des galaxies spirales aussi grandes qu'elles puissent jamais l'être, " dit Ogle.
Malgré ces influences perturbatrices, les super spirales sont encore capables de former des étoiles. Bien que les plus grandes galaxies elliptiques aient formé la totalité ou la plupart de leurs étoiles il y a plus de 10 milliards d'années, les super spirales forment encore des étoiles aujourd'hui. Ils convertissent environ 30 fois la masse du Soleil en étoiles chaque année, ce qui est normal pour une galaxie de cette taille. Par comparaison, notre Voie Lactée forme environ une masse solaire d'étoiles par an.
Ogle et son équipe ont proposé des observations supplémentaires pour aider à répondre aux questions clés sur les super spirales, y compris des observations conçues pour mieux étudier le mouvement du gaz et des étoiles à l'intérieur de leurs disques. Après son lancement en 2021, Le télescope spatial James Webb de la NASA pourrait étudier les super spirales à de plus grandes distances et, par conséquent, à des âges plus jeunes pour apprendre comment elles évoluent au fil du temps. Et la mission WFIRST de la NASA peut aider à localiser plus de super spirales, qui sont extrêmement rares, grâce à son large champ de vision.
